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为什么量子效应不在大的物体中出现,而只在很小的物体中出现?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2022-08-30 10:17:23

关于量子物理,有两件众所周知的事情并不完全正确,并且会导致很多误解:
 
  • 量子物理学是关于小事的;
  • 量子物理学是关于使事物离散(而不是连续)。

不。量子物理学所研究的不一定是小的东西,而是自由度很少的东西。在物理学中,自由度主要描述物体移动、旋转或做其他事情的方式。例如,一个自由粒子在空间中有三个自由度:它可以移动到三个主要方向的任意组合。一个扩展的物体也可以旋转,最终有三个旋转自由度(取决于它的对称性)。一个由许多粒子组成的复杂物体?每个粒子都有自己的自由度;这些可能是受限的(例如,粒子可能被限制在晶体晶格中的一个小空间区域内),但仍然有少量移动的自由。

每一个自由度都表现出量子效应。但当它们的数量很大时,它们的综合行为就会平均出量子效应。比如一杯水、一个高尔夫球、一颗行星或一颗恒星:砰,这么多自由度,没有可观测的量子效应存在。

量子效应

除非,拿一杯,不是水而是液氦。冷却到足够的时候,它所有的原子都会处于基态,没有足够的能量把它们提出来。原子将处于相同的相干态。所有这些独立的自由度都消失了,突然你就有了一个宏观的液体量,显示出量子行为:超流体。

这就引出了另一件事。液氦是一种量子液体但它不会在离散的跳跃中跳跃。它表现得非常像一个连续体。那么,是什么让它成为“量子”呢?

嗯,这与描述量子事物行为的数学有关,包括液氦的数量。数学变量的表现与数字不同。它们是不可交换的:当你将它们相乘时,结果取决于相乘的顺序。这将产生深远的影响。其中一个就是著名的测不准原理。测量一件东西等于确保它表现得像一个数字。给定两个东西,如果它们都表现得像数字,相乘并不取决于它们出现的顺序。所以当一个表现得像数字时,另一个不能。这两个量中只有一个可以处于“本征态”(德语单词的漂亮扭曲),它对应一个测量值;另一个量最多只能代表一个概率。

另一个重要的结果是当我们把这个数学应用到某些系统,所谓的谐振子,结果是离散能级。什么可以被描述为谐振子?为什么,首先是原子。现在你明白了:量子物理学解释了为什么原子会在特定的能级发射或吸收光,而不是其他能级。因此得名“量子”物理,尽管在许多情况下,它根本不会产生任何离散行为。

所以总结一下:量子物理不是关于小事情的(尽管它通常是只有几个自由度的小事情,因此有明显的量子行为);量子物理学并不是要把事物量子化成离散的块(尽管这种情况经常发生,因为它可以用谐振子的概念来表征)。
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